本發(fā)明涉及u肋疲勞性能評估，具體為一種正交異性鋼橋面板u肋的疲勞性能評估方法及系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

1、正交各向異性鋼橋面（osd）因其重量輕、強(qiáng)度高、易于施工和制造而在鋼橋中得到廣泛應(yīng)用。在osd的各種疲勞疾病中，面板與u肋間焊縫的疲勞裂紋出現(xiàn)頻率最高，考慮到osd面板-u肋焊縫殘余應(yīng)力接近、甚至是超過材料的屈服極限，這種情況下，外荷載產(chǎn)生的應(yīng)力會(huì)與構(gòu)件內(nèi)部的殘余應(yīng)力發(fā)生疊加，這種疊加效應(yīng)會(huì)改變構(gòu)件內(nèi)部的應(yīng)力分布狀態(tài)。osd在服役過程中，承受的輪載在作業(yè)位置、荷載幅值等方面具有很強(qiáng)隨機(jī)性，因此殘余應(yīng)力與外荷載的疊加效應(yīng)也是具有很強(qiáng)的隨機(jī)性，揭示殘余應(yīng)力與外荷載的交互作用機(jī)制，準(zhǔn)確掌握殘余應(yīng)力與外荷載疊加作用下的焊縫局部應(yīng)力狀態(tài)很有必要。

2、現(xiàn)有技術(shù)中的，公開號(hào)為cn118133606a提供的一種鋼橋面板u肋內(nèi)焊補(bǔ)強(qiáng)后疲勞性能評估方法，包括以下步驟：獲取實(shí)橋疲勞載荷譜，并對縱肋與頂板構(gòu)造細(xì)節(jié)利用有限元裂紋擴(kuò)展模擬，得到各重要疲勞失效模式的應(yīng)力歷程，采用雨流計(jì)數(shù)法或泄水法處理應(yīng)力歷程，得出各重要疲勞失效模式的疲勞損傷累計(jì)；確定縱肋與頂板構(gòu)造細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)參數(shù)，根據(jù)疲勞易損細(xì)節(jié)的受力特性，設(shè)計(jì)并開展鋼橋面板疲勞試驗(yàn)，得到各重要疲勞失效模型下結(jié)構(gòu)體系實(shí)際疲勞抗力；對u肋內(nèi)焊補(bǔ)強(qiáng)后的構(gòu)造細(xì)節(jié)開展焊接工藝試驗(yàn)，采用金相分析建立缺陷劣化效應(yīng)理論分析模型，結(jié)合各重要疲勞失效模式的疲勞損傷累計(jì)，及結(jié)構(gòu)體系實(shí)際疲勞抗力，量化u肋內(nèi)焊補(bǔ)強(qiáng)后微裂紋對各重要疲勞失效模式疲勞抗力劣化效應(yīng)；統(tǒng)一有限元計(jì)算、疲勞試驗(yàn)和焊接工藝試驗(yàn)的評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，以累計(jì)損傷度為指標(biāo)，評估u肋內(nèi)焊補(bǔ)強(qiáng)后結(jié)構(gòu)體系疲勞抗力及剩余壽命。

3、但是還存在如下不足，由上述的陳述可知，一方面現(xiàn)有技術(shù)僅孤立研究疲勞載荷或焊接工藝對u肋疲勞的影響，未考慮殘余應(yīng)力與荷載幅值、環(huán)境溫度的耦合作用（如高溫環(huán)境下循環(huán)荷載對殘余應(yīng)力的松弛效應(yīng)），導(dǎo)致無法量化三者協(xié)同作用下的應(yīng)力重分布機(jī)制，評估模型與實(shí)際服役狀態(tài)存在偏差；另一方面，現(xiàn)有技術(shù)依賴單一有限元模擬或試驗(yàn)數(shù)據(jù)，缺乏基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的理論模型迭代優(yōu)化，難以精準(zhǔn)量化荷載循環(huán)次數(shù)、溫度等參數(shù)對殘余應(yīng)力衰減的非線性影響，致使評估結(jié)果不準(zhǔn)確。

4、在所述背景技術(shù)部分公開的上述信息僅用于加強(qiáng)對本公開的背景的理解，因此它可以包括不構(gòu)成對本領(lǐng)域普通技術(shù)人員已知的現(xiàn)有技術(shù)的信息。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的在于提供一種正交異性鋼橋面板u肋的疲勞性能評估方法及系統(tǒng)，以解決上述背景技術(shù)中提出的問題。

2、為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供如下技術(shù)方案：

3、一種正交異性鋼橋面板u肋的疲勞性能評估方法，具體步驟包括：

4、s1.構(gòu)建u肋模型，設(shè)定荷載和環(huán)境參數(shù)范圍及梯度形成工況組合，模擬各工況下殘余應(yīng)力演變，記錄焊縫部位各時(shí)刻仿真數(shù)據(jù)，提取荷載、環(huán)境參數(shù)矩陣和殘余應(yīng)力衰減率，通過皮爾遜系數(shù)篩選出荷載循環(huán)次數(shù)、循環(huán)荷載幅值和環(huán)境溫度為主控參數(shù)；

5、s2.擬合主控參數(shù)構(gòu)建殘余應(yīng)力變化系數(shù)理論方程，劃分訓(xùn)練集與測試集，用訓(xùn)練集擬合方程參數(shù)獲得初步經(jīng)驗(yàn)公式，經(jīng)測試集迭代優(yōu)化得到最終公式；

6、s3.組合主控參數(shù)形成主控參數(shù)組合，輸入最終公式計(jì)算殘余應(yīng)力變化系數(shù)，通過熱彈塑性有限元模型模擬無循環(huán)荷載的u肋焊接過程，提取焊縫殘余應(yīng)力特征參數(shù)初始值；

7、s4.遍歷參數(shù)組合找到殘余應(yīng)力變化系數(shù)最大值對應(yīng)的最不利組合，輸入熱彈塑性有限元模型模擬循環(huán)荷載與環(huán)境溫度作用下的焊縫殘余應(yīng)力演變，提取特征參數(shù)最終值，與初始值對比獲得變化量，將變化量與最不利組合對應(yīng)的殘余應(yīng)力變化系數(shù)處理生成疲勞綜合指數(shù)，與預(yù)設(shè)閾值比較以評估u肋疲勞性能狀態(tài)。

8、進(jìn)一步地，仿真數(shù)據(jù)包括應(yīng)力峰值、應(yīng)力梯度、殘余應(yīng)力演變曲線、溫度場分布數(shù)據(jù)；荷載參數(shù)包括荷載循環(huán)次數(shù)、循環(huán)荷載幅值、應(yīng)力比；環(huán)境參數(shù)包括環(huán)境溫度、環(huán)境濕度、環(huán)境酸堿度；特征參數(shù)包括焊縫的最大殘余應(yīng)力值、中心點(diǎn)殘余應(yīng)力、平均殘余應(yīng)力。

9、進(jìn)一步地，s2具體的步驟如下：

10、明確以荷載循環(huán)次數(shù)、循環(huán)荷載幅值、環(huán)境溫度作為輸入變量，殘余應(yīng)力變化系數(shù)作為輸出變量，形成一一對應(yīng)的樣本數(shù)據(jù)，樣本數(shù)據(jù)為，其中，分別為第個(gè)樣本的荷載循環(huán)次數(shù)、循環(huán)荷載幅值、環(huán)境溫度、殘余應(yīng)力變化系數(shù)，為樣本的索引，為樣本的數(shù)量；

11、按7：3的比例將樣本數(shù)據(jù)集劃分為訓(xùn)練集和測試集；

12、定義基礎(chǔ)函數(shù)庫：包含加減乘除、指數(shù)、對數(shù)、冪函數(shù)、三角函數(shù)和變量；

13、采用粒子群優(yōu)化優(yōu)化算法，隨機(jī)組合基礎(chǔ)函數(shù)與變量，生成大量候選表達(dá)式；

14、通過適應(yīng)度衡量候選方程與訓(xùn)練集數(shù)據(jù)的擬合程度，其中，適應(yīng)度越高表示擬合誤差越??；

15、保留適應(yīng)度高的候選方程，淘汰低適應(yīng)度方程；

16、對保留的候選方程進(jìn)行函數(shù)項(xiàng)交叉和隨機(jī)變異，生成新一代候選方程，當(dāng)達(dá)到預(yù)設(shè)迭代次數(shù)時(shí)停止迭代；

17、將測試集中的數(shù)據(jù)輸入經(jīng)過選擇、交叉、變異后的候選方程計(jì)算預(yù)測誤差，采用均方誤差作為損失函數(shù)，對多組候選方程，選擇測試集誤差最小的方程作為殘余應(yīng)力變化系數(shù)的最終公式；

18、殘余應(yīng)力變化系數(shù)的最終公式：

19、；

20、其中，為殘余應(yīng)力變化系數(shù);

21、式中，、、分別為荷載循環(huán)次數(shù)、循環(huán)荷載幅值、環(huán)境溫度，、、分別為荷載循環(huán)次數(shù)、循環(huán)荷載幅值、環(huán)境溫度的權(quán)重系數(shù)，在基礎(chǔ)上，令。

22、進(jìn)一步地，s3具體的步驟如下：

23、組合主控參數(shù)形成主控參數(shù)組合，并依據(jù)主控參數(shù)組合構(gòu)建主控參數(shù)數(shù)據(jù)集,其中，分別為第個(gè)主控參數(shù)組合的荷載循環(huán)次數(shù)、循環(huán)荷載幅值、環(huán)境溫度，為主控參數(shù)組合的索引，為主控參數(shù)組合的數(shù)量；

24、對每一個(gè)主控參數(shù)組合，使用熱彈塑性有限元模型模擬無循環(huán)荷載的u肋焊接過程，計(jì)算第個(gè)主控參數(shù)組合對應(yīng)的焊縫初始?xì)堄鄳?yīng)力分布，其中分別為焊縫的軸坐標(biāo)、軸坐標(biāo)、軸坐標(biāo)；

25、從初始?xì)堄鄳?yīng)力分布中提取焊縫的最大殘余應(yīng)力值、中心點(diǎn)殘余應(yīng)力、平均殘余應(yīng)力的初始值；

26、；

27、其中，為第個(gè)主控參數(shù)組合對應(yīng)的焊縫的最大殘余應(yīng)力初始值；

28、；

29、其中，為第個(gè)主控參數(shù)組合對應(yīng)的焊縫的中心點(diǎn)殘余應(yīng)力初始值，分別為焊縫中心點(diǎn)的軸坐標(biāo)、軸坐標(biāo)、軸坐標(biāo)；

30、；

31、其中，為第個(gè)主控參數(shù)組合對應(yīng)的焊縫的平均殘余應(yīng)力初始值，為焊縫的總體積。

32、進(jìn)一步地，將特征參數(shù)的最終值與初始值對比計(jì)算特征參數(shù)的變化量，依據(jù)的公式如下：

33、；

34、；

35、；

36、其中，、、分別為焊縫的最大殘余應(yīng)力、中心點(diǎn)殘余應(yīng)力、平均殘余應(yīng)力的變化量，為最不利組合對應(yīng)的焊縫最大殘余應(yīng)力的最終值，為最不利組合對應(yīng)的焊縫中心點(diǎn)殘余應(yīng)力的最終值，為最不利組合對應(yīng)的焊縫平均殘余應(yīng)力的最終值，為最不利組合對應(yīng)的焊縫的最大殘余應(yīng)力初始值，為最不利組合對應(yīng)的焊縫的中心點(diǎn)殘余應(yīng)力初始值，為最不利組合對應(yīng)的焊縫的平均殘余應(yīng)力初始值；

37、將特征參數(shù)的變化量和最不利組合對應(yīng)的殘余應(yīng)力變化系數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，生成疲勞綜合指數(shù)，依據(jù)的公式如下：

38、；

39、；

40、；

41、；

42、其中，、、分別為第一疲勞綜合指數(shù)、第二疲勞綜合指數(shù)、第三疲勞綜合指數(shù)，為最不利組合對應(yīng)的殘余應(yīng)力變化系數(shù)，即殘余應(yīng)力變化系數(shù)的最大值，為最不利組合對應(yīng)的殘余應(yīng)力變化系數(shù)。

43、進(jìn)一步地，疲勞綜合指數(shù)和預(yù)設(shè)的閾值進(jìn)行比較，評估u肋的疲勞性能狀態(tài)，具體的步驟如下：

44、當(dāng)所有的疲勞綜合指數(shù)均小于等于預(yù)設(shè)的閾值，即且且時(shí)，u肋的疲勞性能優(yōu)良；

45、當(dāng)至少一個(gè)疲勞綜合指數(shù)大于預(yù)設(shè)的閾值，即或或時(shí)，u肋的疲勞性能差；

46、其中，、、分別為第一疲勞綜合指數(shù)、第二疲勞綜合指數(shù)、第三疲勞綜合指數(shù)的閾值。

47、一種正交異性鋼橋面板u肋的疲勞性能評估系統(tǒng)，所述系統(tǒng)用于執(zhí)行上述任一所述的正交異性鋼橋面板u肋的疲勞性能評估方法，包括：

48、仿真模塊，用于構(gòu)建u肋模型，設(shè)定荷載和環(huán)境參數(shù)范圍及梯度形成工況組合，模擬各工況下殘余應(yīng)力演變，記錄焊縫部位各時(shí)刻仿真數(shù)據(jù)，提取荷載、環(huán)境參數(shù)矩陣和殘余應(yīng)力衰減率，通過皮爾遜系數(shù)篩選出荷載循環(huán)次數(shù)、循環(huán)荷載幅值和環(huán)境溫度為主控參數(shù)；

49、擬合模塊，用于擬合主控參數(shù)構(gòu)建殘余應(yīng)力變化系數(shù)理論方程，劃分訓(xùn)練集與測試集，用訓(xùn)練集擬合方程參數(shù)獲得初步經(jīng)驗(yàn)公式，經(jīng)測試集迭代優(yōu)化得到最終公式；

50、特征提取模塊，用于組合主控參數(shù)形成主控參數(shù)組合，輸入最終公式計(jì)算殘余應(yīng)力變化系數(shù)，通過熱彈塑性有限元模型模擬無循環(huán)荷載的u肋焊接過程，提取焊縫殘余應(yīng)力特征參數(shù)初始值；

51、數(shù)據(jù)評估模塊，用于遍歷參數(shù)組合找到殘余應(yīng)力變化系數(shù)最大值對應(yīng)的最不利組合，輸入熱彈塑性有限元模型模擬循環(huán)荷載與環(huán)境溫度作用下的焊縫殘余應(yīng)力演變，提取特征參數(shù)最終值，與初始值對比獲得變化量，將變化量與最不利組合對應(yīng)的殘余應(yīng)力變化系數(shù)處理生成疲勞綜合指數(shù)，與預(yù)設(shè)閾值比較以評估u肋疲勞性能狀態(tài)。

52、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：

53、本發(fā)明通過構(gòu)建u肋模型，以荷載、環(huán)境參數(shù)為變量模擬殘余應(yīng)力演變過程，記錄焊縫部位在各時(shí)刻的仿真數(shù)據(jù)，提取工況組合的參數(shù)矩陣和殘余應(yīng)力衰減率，通過皮爾遜系數(shù)篩選出主控參數(shù)，對主控參數(shù)進(jìn)行擬合，構(gòu)建殘余應(yīng)力變化系數(shù)的理論方程，優(yōu)化后得到其最終公式，揭示了殘余應(yīng)力、荷載與環(huán)境因素三者協(xié)同改變u肋應(yīng)力狀態(tài)的核心機(jī)制，彌補(bǔ)了現(xiàn)有技術(shù)評估缺乏理論基礎(chǔ)的缺陷，為u肋疲勞性能評估提供了堅(jiān)實(shí)的理論支撐；

54、通過將主控參數(shù)組合輸入殘余應(yīng)力變化系數(shù)的最終公式，計(jì)算殘余應(yīng)力變化系數(shù)，通過疲勞損傷模型模擬u肋的焊接，提取焊縫殘余應(yīng)力的特征參數(shù)初始值，遍歷主控參數(shù)組合，找到殘余應(yīng)力變化系數(shù)最大值對應(yīng)的主控參數(shù)組合，獲取特征參數(shù)的變化量，將特征參數(shù)的變化量和最不利組合對應(yīng)的殘余應(yīng)力變化系數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，生成疲勞綜合指數(shù)，疲勞綜合指數(shù)和預(yù)設(shè)的閾值進(jìn)行比較，評估u肋的疲勞性能狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)了理論推導(dǎo)與數(shù)據(jù)挖掘的深度融合，全面且精確地量化了主控參數(shù)對u肋疲勞性能的影響，顯著提高了疲勞性能的評估結(jié)果。